JP2020050906A

JP2020050906A - 立体形状加工対象物の熱処理方法及び熱処理装置

Info

Publication number: JP2020050906A
Application number: JP2018180846A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　寛; Hiroshi Suzuki; 鈴木　　寛; 将彰芦原; Masaaki Ashihara
Original assignee: Fukui Prefecture; Eyetec Co Ltd
Current assignee: Fukui Prefecture; Eyetec Co Ltd
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-04-02

Abstract

【課題】本発明は、立体形状加工対象物の周囲に設定された処理領域を均一に熱処理することができる熱処理方法及び熱処理装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る立体形状加工対象物の熱処理方法は、立体形状加工対象物に表面における処理領域にレーザー光を照射して熱処理を行う熱処理方法において、レーザー照射装置１０から出射されたレーザー光を走査部１２により処理領域に対する直接入射範囲よりも広い範囲に走査し、処理領域に対してレーザー光を直接入射させるとともに光偏向部１４により偏向されたレーザー光を処理領域の直接入射範囲以外の範囲に入射させ、処理領域に対してレーザー光を走査しながら照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光の照射により立体形状を有する加工対象物の表面を加熱する熱処理方法及び熱処理装置に関する。

従来より金属材料等の素材表面の耐久性を向上させるためにめっき処理によりめっき被膜を形成することが行われている。そして、めっき被膜に対して熱処理等の表面処理を施すことで、めっき被膜の硬度を向上させることが知られており、例えば、特許文献１では、めっき被膜表面にレーザー光を照射して局部的に加熱処理することで、素材に対する加熱の影響を抑えてめっき被膜の硬度を向上させる表面改質方法が記載されている。

特開２０１７−２２２９２２号公報登録実用新案第３０６７２８０号公報

従来のレーザー光の照射による熱処理方法では、加工対象物の熱処理する領域が平面である場合には、平面に対してレーザー光を直交方向から照射することで、領域全体を均一に熱処理することを容易に行うことができる。しかしながら、加工対象物が立体形状である場合には、表面全体を均一に熱処理するためには、加工対象物の周囲からレーザー光を照射する必要がある。そのため、レーザー照射装置を加工対象物の周囲に複数配置して照射する方法やレーザー照射装置を加工対象物の周囲に移動させながら照射する方法といった熱処理方法が考えられるが、レーザー照射装置を複数配置する方法は、装置の大型化及び装置コストの増加が避けられず、また、レーザー照射装置を移動させながら照射する方法についても移動装置を設けることが必要となり、装置の大型化及びコストアップとなって好ましくない。

レーザー照射装置を移動させずに三次元形状物全体にレーザー光を照射する方法としては、例えば、特許文献２に記載されているように、レーザー光を反射させて全体に照射する方法が提案されている。しかしながら、レーザー光の照射による熱処理を行う場合には、単にレーザー光を全体に照射するだけではなく均一な熱処理を実現するように照射することが必要となる。

そこで、本発明は、立体形状加工対象物の周囲に設定された処理領域を均一に熱処理することができる熱処理方法及び熱処理装置を提供することを目的とする。

本発明に係る立体形状加工対象物の熱処理方法は、立体形状加工対象物の表面における処理領域に対してレーザー光を照射して熱処理を行う熱処理方法において、レーザー照射装置から出射されたランダム偏光または無偏光の偏光特性を有するレーザー光を偏向し、前記処理領域の直接入射範囲以外の範囲に対して４５°以下の入射角度になるようにレーザー光を走査しながら照射する。さらに、レーザー光を走査部により前記処理領域に対する直接入射範囲よりも広い範囲に走査し、前記処理領域に対してレーザー光を直接入射させるとともに光偏向部により偏向されたレーザー光を前記処理領域の直接入射範囲以外の範囲に入射させ、前記処理領域に対してレーザー光を走査しながら照射する。

本発明に係る立体形状加工対象物の熱処理装置は、ランダム偏光または無偏光の偏光特性を有するレーザー光を出射するレーザー照射装置と、前記レーザー照射装置から出射されたレーザー光を立体形状加工対象物の処理領域に向かって所定の走査範囲で偏向させる走査部と、前記処理領域に対して直接入射範囲以外の範囲を走査するレーザー光を前記処理領域に向かって入射するように偏向させる光偏向部と、レーザー光の出力及び走査速度を制御して前記処理領域に対するレーザー光の照射量を制御する制御部とを備えている。

本発明は、上記の構成を備えることで、立体形状加工対象物の周囲に設定された処理領域を均一に熱処理することができる。

レーザー光を立体形状加工対象物の表面に照射して熱処理する装置に関する概略構成図である。照射試験装置に関する概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、レーザー光を立体形状加工対象物の表面に照射して熱処理する装置に関する概略構成図である。熱処理装置は、ランダム偏光又は無偏光の偏光特性を有するレーザー照射装置１０、レーザー照射装置１０を駆動してレーザー光を出射させる出力部１１、レーザー照射装置１０から出射されたレーザー光Ｌを立体形状加工対象物Ｓの処理領域に向かって所定の走査範囲で偏向させる走査部１２、走査部１２を駆動して走査動作をさせる駆動部１３、立体形状加工対象物Ｓの処理領域に対して直接入射範囲以外の範囲を走査するレーザー光を立体形状加工対象物Ｓの処理領域に向かって入射するように偏向させる光偏向部１４、及び、出力部１１及び駆動部１３を制御して立体形状加工対象物Ｓの処理領域に対するレーザー光の照射量を制御する制御部２０を備えている。

レーザー照射装置１０から出射されたレーザー光を走査部１２により立体形状加工対象物Ｓの処理領域に対する直接入射範囲よりも広い範囲を走査させることで、立体形状加工対象物Ｓの表面における所定の処理領域に対してレーザー光を直接入射させるとともに光偏向部１４により偏向されたレーザー光を立体形状加工対象物Ｓの処理領域の直接入射範囲以外の範囲に入射させ、処理領域に対してレーザー光を走査しながら照射することで満遍なく熱処理を行うことができる。

レーザー照射装置１０としては、ファイバーレーザー、ＹＡＧレーザー、ＣＯ₂レーザー、高出力半導体レーザーといった公知の連続発振又はパルス状のレーザー光を発振可能なレーザー照射装置を用いることができる。加工対象物Ｓのレーザー光の吸収率はレーザー光がＰ偏光である場合とＳ偏光である場合とでは入射角度に応じて異なる値となるため、レーザー照射装置１０から照射されるレーザー光は偏光特性が平滑化されるランダム偏光または無偏光の偏光特性を有していることが好ましい。また、レーザー光の強度分布はトップハット型であることが好ましく、ガウシアン型の強度分布のレーザー光を用いる場合はレーザー光の照射径を大きくし、可能な限り強度分布が平坦に近づくように加工対象物Ｓに照射することが望ましい。

走査部１２は、レーザー照射装置１０から出射されたレーザー光を走査するように偏向させるスキャナ部１２ａ及びスキャナ部１２ａにより偏向されたレーザー光を集光するレンズ部１２ｂを備えている。スキャナ部１２ａとしては、ガルバノスキャナ等の公知の装置を用いることができ、レンズ部１２ｂとしては、ｆθレンズやシリンドリカルレンズ等の公知のレンズ装置を用いることができる。

光偏向部１４は、立体形状加工対象物Ｓの処理領域に対して直接入射範囲以外の範囲を走査するレーザー光を立体形状加工対象物Ｓの処理領域に向かって入射するように偏向させるようになっている。この例では、立体形状加工対象物Ｓの両側に配置された一対のミラー１４ａ及び１４ｂを備えており、ミラー１４ａ及び１４ｂは、立体形状加工対象物Ｓの処理領域に対して反射面が対向するとともにレーザー光の直接入射方向に対して傾斜するように設定されている。そのため、レーザー光の直接入射範囲以外の処理領域に対しても満遍なくレーザー光を照射することができる。ミラー１４ａ及び１４ｂの反射面は平面状に形成されており、反射面の直接入射方向Ｔに対する傾斜角度θは４５°以下に設定することが好ましい。偏向されたレーザー光の加工対象物に対する入射角度を、レーザー光が加工対象物に入射するときに、レーザー光の入射方向とレーザー光が入射した位置の加工対象物の接平面に対する法線とがなす角度であるとした場合に、レーザー光の入射角度は４５°以下に設定することが好ましい。入射角度を４５°以下とすることで、入射角度に対応してレーザー光の走査速度を調整して安定して照射制御を行うことができる。光偏向部１４は、上述した平面ミラー以外に加工対象物の処理領域を囲むように配置された凹面ミラーを用いることもできる。

制御部２０は、出射するレーザー光の出力量及びレーザー光の走査速度を制御することで立体形状加工対象物Ｓの処理領域の面積及び形状に対応して単位面積当たりの照射量を制御することができる。

熱処理する立体形状加工対象物としては、めっき処理された金属材料からなる素材が好ましい。めっき処理が可能な金属材料であればよく特に限定されないが、機械部品、工具等の高硬度に仕上げる必要がある材料に好適である。例えば、クロムモリブデン鋼等の機械構造用鋼材、炭素工具鋼等の工具鋼材、高炭素クロム軸受鋼等の特殊用途鋼材、ねずみ鋳鉄品等の鋳鉄材といった素材が挙げられる。こうした素材では、浸炭処理や焼き入れ処理といった表面の硬化処理が行われているが、表面処理後の更なる加熱処理は、強度低下や素材の変形といった影響を受けやすくなるため、できるだけ避けることが望ましい。また、アルミニウム等融点が低く歪などの変形を起こしやすい素材に対しても有効である。

素材表面に形成するめっき被膜としては、金属材料の表面にめっき処理により形成することができるものであればよく特に限定されないが、幅広い素材に対応可能で熱処理により硬度が向上する無電解めっき被膜が好適である。特に、Ｎｉを主成分とするＮｉ−Ｐめっき被膜については、レーザー光により硬度を高めることができることから好ましい。そして、めっき被膜の膜厚は１μｍ〜３０μｍに形成することが好ましい。

また、めっき被膜には、炭素材料を複合させることで、めっき被膜の硬度を高めることができる。炭素材料としては、例えば、ナノダイヤモンド等の炭素微粒子、カーボンナノチューブ、フラーレンといったものが挙げられる。こうした炭素材料は、予めめっき液に投入しておき、めっき処理によりめっき被膜に含有させることができる。また、炭素材料を含むコーティング液を調製し、形成されためっき被膜にコーティング処理することで、炭素材料を複合させることができる。このような炭素材料を複合させためっき被膜についてもレーザー光照射によって更なる硬度の向上を図ることができる。

めっき被膜に照射するレーザー光を照射する場合、めっき被膜に対して熱影響の及ぶ深さ範囲を限定して素材表面に対して熱影響が及ばないようにパルス幅を適切な値に設定する必要がある。膜厚が５μｍ〜３０μｍのめっき被膜に対しては、パルス幅が１μ秒〜１０ｍ秒のレーザー光を照射することで、素材に対する熱影響を抑止しながらめっき被膜を満遍なく加熱して硬化させることができる。具体的には、めっき被膜表面の硬度を９００Ｈｖ以上に硬化させるとともに素材表面の硬度を７００Ｈｖ以上に維持することで、めっき被膜を加熱により硬化させるとともに素材への熱による影響を抑止することが可能となる。

レーザー光の照射量は、めっき被膜を加熱して硬度を高めるとともに素材の加熱による影響を抑えることが望ましく、レーザーの出力に応じて最適な量に設定する必要がある。レーザー光の照射量は、めっき被膜を加熱して硬度を高めるとともに素材の加熱による影響を抑えることが望ましく、レーザーの出力に応じて最適な値に設定する必要がある。具体的には、膜厚が１μｍ〜３０μｍのめっき被膜に対して、照射量はフルーエンスが０．０１Ｊ／ｃｍ²〜１．３Ｊ／ｃｍ²になるように設定することで、素材に対して熱的影響を及ぼすことなくめっき被膜を満遍なく加熱して硬化させることができる。

以下に実施例を挙げ、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら制約されるものではない。

［実施例１］
レーザー照射装置としてファイバーレーザー装置（ＩＰＧフォトニクス社製；ＹＬＲ−１５０／１５００−ＱＣＷ）を用い、パルス幅０．２ミリ秒で繰り返し周波数６００Ｈｚに調整してレーザー光を出射するように設定した。図２に示すように、出射されたレーザー光をガルバノスキャナ装置（SUNNY TECHNOLOGY社製）を用いて所定の方向に偏向した後、平面鏡であるミラーＭで加工対象物である感熱紙Ｋ（富士フィルム株式会社製）に照射した。レーザー光の照射は、拡大倍率３倍及び照射回数５０回に設定した。

感熱紙は、縦１５ｍｍ及び横４５ｍｍの大きさに形成し、感熱面が平面状となるように支持部材に固定し、レーザー光の入射方向に対する感熱紙の傾斜角度となる支持部材の傾斜角度を調整可能に取り付けた。この場合、感熱紙に対するレーザー光の入射角度γは、９０°から傾斜角度を差し引いた角度となる。レーザー光の照射による熱処理は、感熱紙の状態により簡易に判別することができる。

感熱紙の傾斜角度を９０°（γ＝０°）に設定し、レーザー光の出力を７０％に設定して照射したところ、感熱紙の照射直後の温度は７００℃に熱処理されて照射部分が焼けた状態となった。感熱紙の傾斜角度を４５°（γ＝４５°）に設定し、レーザー光の出力を７０％に設定して照射したところ、感熱紙の照射直後の温度は４６９℃に熱処理されて照射部分がふくれた状態となった。感熱紙の傾斜角度を９０°に設定し、レーザー光の出力を５０％に設定して照射したところ、感熱紙の照射直後の温度は４８５℃に熱処理されて照射部分がふくれた状態となった。

したがって、加工対象物に対するレーザー光の入射角度及び出力を調整することで熱処理を制御可能であることが確認できた。

［実施例２］
実施例１と同様な装置を用い、鋼板（ＳＣＭ４４０）に無電解ニッケルめっき処理（上村工業株式会社製めっき液を使用）を常法で施した加工対象物（めっき被膜２０μｍ）にレーザー光の照射を行った。パルス幅０．２ｍｓｅｃ、繰り返し周波数５００Ｈｚ、拡大倍率２．５倍、照射回数１回とし、ガルバノスキャナ装置により３本のラインをピッチ０．２５ｍｍ、走査速度７０ｍｍ／ｓで照射した。

照射後のめっき被膜の硬度を硬度計（株式会社島津製作所製ダイナミック超微小硬度計ＤＵＨ−２１１）により測定した。硬度測定では、荷重を２０ｍＮに設定し押し込み深さを１μｍ前後とし、表層のめっき被膜のみの硬度を測定することとした。照射前にめっき被膜の硬度を測定したところ、６８１ＨＶであった。

レーザー光の出力４０％、傾斜角度９０°（γ＝０°）では表層のめっき被膜のビッカース硬度は１０４６ＨＶとなり、照射前の硬度と比較すると硬度が高くなっており、熱処理による高硬度化が確認された。

レーザー光の出力４０％、傾斜角度４５°（γ＝４５°）では硬度が７４７ＨＶとなっており、熱処理による高硬度化が確認されたが、硬度の変化は傾斜角度９０°の場合に比べて小さくなっていた。傾斜角度４５°で、出力を５０％及び６０％に変化させた場合、硬度はぞれぞれ１０９９ＨＶ及び１２８５ＨＶに変化しており、レーザー出力に応じて熱処理を制御することが可能であることがわかる。

レーザー光の出力４０％、傾斜角度４５°（γ＝４５°）とし、走査速度を５０ｍｍ／ｓに設定してレーザー照射を行ったところ、硬度は９７８ＨＶであった。走査速度を変化させることで高硬度化することが確認された。

以上説明したように、加工対象物に対するレーザー光の入射角度及びレーザー光の走査速度を変化させることで熱処理を制御することが可能であることがわかる。そのため、上述したように、立体形状の加工対象物に対してレーザー光の直接入射範囲以外の処理領域にレーザー光を照射する場合に、処理領域におけるレーザー光の入射角度に対応して走査速度を調整すれば安定した熱処理を行うことができる。例えば、レーザー光の入射角度が大きい場合にはレーザー光の照射面積の増大に伴いレーザー光の単位面積当たりの照射量が減少する。円形のレーザー光の場合に入射角度の増大に伴い、加工対象物に対するレーザー光の照射領域が円形から扁平率の大きい楕円形状へ変化する。このため、レーザー光の走査速度を遅くすることでレーザー光の単位面積当たりの照射量を高めて熱処理を行うことができる。また、レーザー光の入射角度が小さい場合にはレーザー光の単位面積当たりの照射量が増加するため、レーザー光の走査速度を速くすることでレーザー光の照射量を抑えて熱処理を行うことができる。このように、立体形状の加工対象物の処理領域に対してレーザー光を走査制御して照射することで処理領域を満遍なく熱処理することができる。

１０・・・レーザー照射装置、１１・・・出力部、１２・・・走査部、１３・・・駆動部、１４・・・光偏向部、２０・・・制御部、Ｓ・・・加工対象物

Claims

立体形状加工対象物の表面における処理領域に対してレーザー光を照射して熱処理を行う熱処理方法において、レーザー照射装置から出射されたランダム偏光または無偏光の偏光特性を有するレーザー光を偏向し、前記処理領域の直接入射範囲以外の範囲に対して４５°以下の入射角度になるようにレーザー光を走査しながら照射する熱処理方法。
レーザー光を走査部により前記処理領域に対する直接入射範囲よりも広い範囲に走査し、前記処理領域に対してレーザー光を直接入射させるとともに光偏向部により偏向されたレーザー光を前記処理領域の直接入射範囲以外の範囲に入射させ、前記処理領域に対してレーザー光を走査しながら照射する請求項１に記載の熱処理方法。
ランダム偏光または無偏光の偏光特性を有するレーザー光を出射するレーザー照射装置と、前記レーザー照射装置から出射されたレーザー光を立体形状加工対象物の処理領域に向かって所定の走査範囲で偏向させる走査部と、前記処理領域に対して直接入射範囲以外の範囲を走査するレーザー光を前記処理領域に向かって入射するように偏向させる光偏向部と、レーザー光の出力及び走査速度を制御して前記処理領域に対するレーザー光の照射量を制御する制御部とを備えている熱処理装置。